Il trattamento termico dell’acciaio permette di conferire a un componente esattamente le proprietà di cui ha bisogno: una superficie dura e resistente all’usura, un cuore tenace oppure una struttura morbida e priva di tensioni, facile da lavorare alle macchine utensili. Scegliere il processo giusto è fondamentale per i pezzi che strisciano su altri componenti o che devono resistere agli urti.
Quando le proprietà intrinseche di un materiale non bastano, la soluzione è il trattamento termico. Ma con tanti processi disponibili, trovare la giusta combinazione di materiale e trattamento termico può essere complicato. Questa guida presenta i trattamenti termici più usati per i componenti meccanici e i punti chiave da considerare quando progetti pezzi trattati termicamente.
Che cos’è il trattamento termico dell’acciaio?
Il trattamento termico sottopone i componenti a un riscaldamento e a un raffreddamento controllati per modificarne la struttura, in tutto il pezzo oppure solo in superficie. Soprattutto negli acciai contenenti carbonio, può modificare in modo significativo proprietà come durezza, resistenza all’usura e tenacità.
I trattamenti termici si dividono in due gruppi. I trattamenti termici a cuore interessano l’intero componente e comprendono tempra e rinvenimento, ricottura e normalizzazione. I trattamenti termici superficiali agiscono soprattutto sullo strato superficiale e comprendono la tempra a induzione, la cementazione e la nitrurazione.
Il risultato dipende dalla temperatura di riscaldamento, dalla velocità di raffreddamento e dal mezzo di raffreddamento. Un raffreddamento rapido, come nella tempra, aumenta la durezza ma anche la fragilità. Un raffreddamento più lento, come nella ricottura e nella normalizzazione, affina la struttura e distende le tensioni del materiale. I metodi di raffreddamento più comuni sono la tempra in acqua, la tempra in olio, il raffreddamento in aria e il raffreddamento in forno.
La risposta dell’acciaio dipende anche dal tenore di carbonio. L’acciaio con circa lo 0,8 % di carbonio si chiama eutettoide; quelli al di sotto di questo valore sono ipoeutettoidi, quelli al di sopra ipereutettoidi. Ogni gruppo ha temperature di trasformazione diverse, che determinano la corretta temperatura del trattamento termico.
I metodi di trattamento termico in sintesi
| Trattamento termico | Tipo | Effetto principale | Impiego tipico |
|---|---|---|---|
| Tempra e rinvenimento | A cuore | Durezza elevata con tenacità regolabile | Parti soggette a usura, utensili, alberi e componenti meccanici sollecitati |
| Ricottura | A cuore | Addolcisce, elimina le tensioni interne, migliora la lavorabilità | Preparazione del materiale alla lavorazione, miglioramento della planarità di pezzi sottili |
| Normalizzazione | A cuore | Affina e omogeneizza la struttura | Pezzi in acciaio fuso, forgiato o laminato |
| Tempra a induzione | Superficiale | Superficie dura e resistente all’usura con cuore tenace | Alberi e ingranaggi |
| Cementazione | Superficiale | Arricchisce la superficie di carbonio così da poter temprare l’acciaio a basso tenore di carbonio | Pezzi in acciaio a basso tenore di carbonio che richiedono una superficie dura e resistente all’usura |
| Nitrurazione | Superficiale | Superficie molto dura con deformazione minima | Pezzi di precisione, pezzi soggetti a fatica e usura |
Trattamenti termici a cuore
Tempra e rinvenimento
Quando l’acciaio viene riscaldato oltre la temperatura di trasformazione (in genere intorno a 800–900 °C, a seconda del tenore di carbonio), la sua struttura si trasforma in austenite. Gli acciai ipoeutettoidi vengono riscaldati a circa 30–50 °C sopra la temperatura A3, quelli ipereutettoidi a circa 30–50 °C sopra la temperatura A1. Superare o non raggiungere questo intervallo porta a una trasformazione incompleta o a proprietà indesiderate, quindi è essenziale controllare con precisione la temperatura.
L’acciaio viene poi raffreddato rapidamente. Questa tempra crea una struttura molto dura chiamata martensite. Il mezzo di raffreddamento si sceglie in base al materiale e al risultato desiderato:
- Acqua: raffreddamento molto rapido a basso costo, ma con maggiore rischio di deformazione e cricche di tempra
- Olio: raffreddamento più lento ma più uniforme, minore deformazione
- Soluzioni acquose e bagni di sale: velocità di raffreddamento controllate, comprese tra quelle di acqua e olio
- Aria: raffreddamento lento, adatto solo agli acciai legati autotempranti
La tempra aumenta la durezza, ma rende anche l’acciaio fragile e inadatto all’uso immediato. Per questo il pezzo viene poi rinvenuto: riscaldato a una temperatura inferiore e raffreddato lentamente. La temperatura di rinvenimento determina il compromesso tra durezza e tenacità. Un rinvenimento a bassa temperatura mantiene alta la durezza; un rinvenimento ad alta temperatura riduce la durezza e aumenta tenacità e duttilità. Tempra e rinvenimento vengono quindi quasi sempre eseguiti insieme; con rinvenimento ad alta temperatura si parla di bonifica.
Ricottura
La ricottura consiste nel riscaldare il metallo e nel raffreddarlo lentamente, ottenendo una struttura uniforme e più morbida. Elimina le tensioni interne e migliora la lavorabilità. A seconda dello scopo si usano diverse varianti (ricottura completa, ricottura di addolcimento, ricottura di distensione, ricottura di omogeneizzazione e ricottura di sferoidizzazione), ciascuna con il proprio intervallo di temperatura. La ricottura è più diffusa per l’acciaio al carbonio, ma si usa anche per l’acciaio inox, le leghe di alluminio e altri materiali.
Poiché la ricottura elimina le tensioni residue, può migliorare la precisione finale di pezzi sottili lavorati. Può essere eseguita sul materiale grezzo o su componenti parzialmente lavorati. Ne traggono vantaggio soprattutto materiali come l’EN 1.4301 equiv. (SUS304), che tendono a deformarsi sotto le tensioni di lavorazione, ad esempio per quanto riguarda la planarità. Valuta per tempo con il tuo produttore per decidere se e quando la ricottura ha senso.
Normalizzazione
La normalizzazione omogeneizza e affina la struttura dei componenti in acciaio ottenuti per fusione, forgiatura o laminazione, nei quali possono formarsi tensioni interne e strutture irregolari. L’acciaio viene riscaldato oltre la temperatura di trasformazione e poi raffreddato in aria. Il risultato è una struttura uniforme con proprietà meccaniche affidabili.
Trattamenti termici superficiali
Tempra a induzione
La tempra a induzione riscalda solo la superficie di un componente, a oltre 800 °C, mediante corrente alternata. Il pezzo viene posto vicino a una bobina e la corrente ad alta frequenza indotta in superficie la riscalda rapidamente. Dopo la tempra, un rinvenimento a bassa temperatura ripristina la tenacità. Il processo serve soprattutto ad aumentare durezza e resistenza a fatica di alberi e ingranaggi.
Poiché viene trattata solo la superficie, il pezzo acquista durezza e resistenza all’usura mentre il cuore resta tenace, e deformazioni e variazioni dimensionali restano contenute. La superficie temprata presenta tensioni residue di compressione, il che migliora la resistenza a fatica, e la sua durezza è leggermente superiore a quella ottenuta con tempra e rinvenimento convenzionali. Gli alberi possono comunque piegarsi leggermente e richiedere una raddrizzatura alla pressa. La tempra a induzione è considerata rispettosa dell’ambiente grazie ai brevi tempi di riscaldamento e puoi specificare con precisione quali zone temprare e a quale profondità. Tra i processi affini di tempra superficiale ci sono la tempra a fiamma, la tempra a fascio di elettroni e la tempra laser.
Cementazione
L’acciaio ha bisogno di carbonio per essere temprato. L’acciaio al carbonio con tenore di carbonio più alto si tempra bene, mentre quello a basso tenore di carbonio no. L’acciaio a basso tenore di carbonio è economico e facile da lavorare, ma manca di durezza: la cementazione risolve il problema arricchendo la superficie di carbonio.
Il componente viene riscaldato insieme a un agente cementante e il carbonio diffonde nella superficie. A seconda dell’agente si parla di cementazione in cassetta (carbone), cementazione liquida (bagno di sale) o cementazione gassosa (gas di idrocarburi). La cementazione da sola non indurisce il pezzo: solo la tempra e il rinvenimento successivi trasformano la superficie ricca di carbonio in uno strato duro e resistente all’usura, mentre il cuore a basso tenore di carbonio resta tenace.
Nitrurazione
La nitrurazione indurisce la superficie facendovi diffondere azoto. I metodi più comuni sono la nitrurazione gassosa, la nitrurazione a bagno di sale, la nitrocarburazione ferritica e la nitrurazione al plasma. Il processo avviene in un’atmosfera contenente azoto o ammoniaca, al di sotto della temperatura di trasformazione dell’acciaio, in genere intorno a 500–590 °C.
Poiché l’acciaio non si trasforma, non è necessaria una tempra successiva e la deformazione è minima. La nitrurazione raggiunge durezze superficiali di circa 1.000 HV su acciai adatti; la nitrocarburazione raggiunge in genere circa 500–700 HV, a seconda dell’acciaio, ed è usata soprattutto per migliorare la resistenza a usura e fatica. Profondità e durezza dello strato nitrurato dipendono dal processo e dal tempo di trattamento, in genere intorno a 0,1–0,5 mm.
Grazie alla bassa temperatura di trattamento, gli acciai bonificati possono essere nitrurati senza perdere la durezza del cuore. Anche gli acciai inossidabili austenitici come l’EN 1.4301 equiv. e l’EN 1.4401 equiv. (SUS316) possono essere nitrurati con processi speciali, ma ciò ne riduce la resistenza alla corrosione: valuta quindi con attenzione questo compromesso.
Consigli di progettazione per pezzi trattati termicamente
Il trattamento termico è molto efficace per indurire le superfici e migliorare la resistenza a usura e urti. Tieni presenti questi punti quando progetti pezzi che verranno trattati termicamente:
- Prevedi la deformazione. Riscaldamento e raffreddamento causano deformazioni e variazioni dimensionali, quindi lascia un sovrametallo sulle superfici di precisione per la finitura dopo il trattamento termico.
- Definisci presto la finitura. Oltre circa 60 HRC i pezzi temprati sono difficili da lavorare con frese a candela, quindi stabilisci in anticipo dove serve sovrametallo e come verranno rifinite queste zone.
- Progetta pensando alla rettifica. Le superfici piane e cilindriche si rettificano facilmente; sulle forme a gradini aggiungi scanalature di scarico (gole), in modo che la mola non tocchi la superficie adiacente.
- Riduci al minimo le superfici da rifinire. Le forme complesse possono richiedere rettificatrici speciali, con costi più alti: meno superfici da rifinire, più economico è il pezzo.
- Scegli la nitrurazione se la deformazione è critica. La bassa temperatura di trattamento riduce al minimo le variazioni dimensionali.
- Valuta i rivestimenti come alternativa. Se ti serve solo durezza superficiale, può bastare la cromatura dura o la nichelatura chimica.
Pezzi trattati termicamente da meviy
meviy produce componenti su misura progettati individualmente a partire dai tuoi dati CAD 3D, non componenti standard o a catalogo. Per i pezzi realizzati con la fresatura CNC puoi ordinare la tempra a cuore e scegliere la durezza desiderata direttamente nella configurazione del pezzo:
| Materiale | Durezza standard | Intervallo di durezza impostabile |
|---|---|---|
| EN 1.2379 equiv. | HRC 58–63 | HRC 50–63 |
| EN 1.7220 equiv. | HRC 50–55 | HRC 30–55 |
| EN 1.1206 equiv. | HRC 35–45 | HRC 30–50 |
- Pezzi fresati temprati a cuore fino a 300 × 150 × 60 mm, con l’intervallo di durezza che specifichi
- Trattamento termico di determinati acciai per i pezzi realizzati con la tornitura CNC
- Nitrurazione e nitrurazione a bagno di sale come trattamenti superficiali per una resistenza all’usura con deformazioni minime
- Cromatura dura e nichelatura chimica come alternative per la durezza superficiale
- Prezzo e tempi di consegna istantanei dal tuo modello 3D, senza disegno 2D
Materiale, trattamento termico e trattamento superficiale si impostano direttamente in meviy, così puoi confrontare le opzioni per i tuoi pezzi realizzati con la lavorazione CNC prima di ordinare.
Domande frequenti sul trattamento termico dell’acciaio
Qual è la differenza tra tempra e rinvenimento?
La tempra raffredda rapidamente l’acciaio riscaldato e lo rende molto duro ma fragile. Il rinvenimento riscalda di nuovo l’acciaio temprato a una temperatura inferiore e ne riduce la fragilità. I due passaggi vengono eseguiti insieme per ottenere il giusto equilibrio tra durezza e tenacità.
Qual è la differenza tra ricottura e normalizzazione?
Entrambe riscaldano l’acciaio, ma lo raffreddano in modo diverso. La ricottura raffredda molto lentamente, di solito in forno, per addolcire il materiale ed eliminare le tensioni così da facilitarne la lavorazione. La normalizzazione raffredda in aria calma e serve ad affinare e omogeneizzare la struttura dopo fusione, forgiatura o laminazione.
Quale trattamento termico provoca meno deformazione?
La nitrurazione, perché avviene al di sotto della temperatura di trasformazione dell’acciaio e non richiede tempra. Anche la tempra a induzione provoca una deformazione relativamente ridotta, dato che viene riscaldata solo la superficie.
Qual è la differenza tra nitrurazione e cementazione?
La cementazione apporta carbonio alla superficie dell’acciaio a basso tenore di carbonio ad alta temperatura e richiede una successiva tempra, che può causare deformazioni. La nitrurazione apporta azoto a una temperatura più bassa, non richiede tempra e mantiene la deformazione al minimo, ma in genere produce uno strato indurito più sottile.
Scegliere il trattamento termico giusto
I trattamenti termici a cuore come tempra e rinvenimento, ricottura e normalizzazione modificano le proprietà dell’intero pezzo, mentre i trattamenti superficiali come tempra a induzione, cementazione e nitrurazione creano una superficie dura con un cuore tenace. Per il trattamento termico dell’acciaio, scegli il processo in base alla durezza richiesta, alla deformazione accettabile e al costo delle lavorazioni di finitura: otterrai pezzi che funzionano in modo affidabile nei tuoi impianti.